传感器及RFID技术应用（第二版）转速流量测量

转速流量测量

传感器及RFID应用技术了解霍尔传感器、光电编码器、流量传感器的基本结构和基本原理；掌握其特性参数；熟悉其测量线路。学习其在转速、流量检测领域的应用。知识要点学会识别一般的霍尔传感器、光电编码器、流量传感器等传感器，掌握霍尔传感器、光电编码器、流量传感器等传感器的使用方法。技能要点项目目标制作基于开关型霍尔传感器的计数器。任务目标一霍尔传感器一）霍尔效应1.霍尔效应将一块半导体或导体材料，沿Z方向加以磁场，沿X方向通以工作电流I，则在Y方向产生出电动势VH，如图6-1所示，这种现象称为霍尔效应。VH称为霍尔电压。(a)(b)图6-1霍尔效应原理图

一霍尔传感器一）霍尔效应实验表明，在磁场不太强时，电位差VH与电流强度I和磁感应强度B成正比，与板的厚度d成反比，即：或式（6-1）中RH称为霍尔系数，式（6-2）中KH称为霍尔元件的灵敏度，单位为mv/（mA·T）。产生霍尔效应的原因是形成电流的作定向运动的带电粒子即载流子（N型半导体中的载流子是带负电荷的电子，P型半导体中的载流子是带正电荷的空穴）在磁场中所受到的洛仑兹力作用而产生的。（6-1）（6-2）如图6-1（a）所示，一块长为l、宽为b、厚为d的N型单晶薄片，置于沿Z轴方向的磁场中，在X轴方向通以电流I，则其中的载流子——电子所受到的洛仑兹力为：（6-3）一霍尔传感器一）霍尔效应

中

为电子的漂移运动速度，其方向沿X轴的负方向。e为电子的电荷量。

指向Y轴的负方向。自由电子受力偏转，向A侧面积聚，同时在B侧面上出现同数量的正电荷，在两侧面间形成一个沿Y轴负方向上的横向电场

（即霍尔电场），使运动电子受到一个沿Y轴正方向的电场力

，A、B面之间的电位差为

（即霍尔电压），则

将阻碍电荷的积聚，最后达稳定状态时有：即，于是得：此时B端电位高于A端电位。若N型单晶中的电子浓度为n，则流过样片横截面的电流I=nebdV，得（6-4）（6-5）（6-6）将(6-6)式代入(6-5)式得（6-7）一霍尔传感器一）霍尔效应

式中

称为霍尔系数，它表示材料产生霍尔效应的本领大小；

称为霍尔元件的灵敏度，一般地说，

愈大愈好，以便获得较大的霍尔电压

。由以上分析可知：（1）由于和载流子浓度n成反比，而半导体的载流子浓度远比金属的载流子浓度小，所以采用半导体材料作霍尔元件灵敏度较高。（2）因和样品厚度d成反比，所以霍尔片都切得很薄，一般d≈0.2mm。理想情况下，霍尔电极A对应的等电位点在A′，当外磁场B=0时，VH=VAA’=0。但实际上，因为各种原因，A的等电位点不在A′，而在A″，此时即使外磁场B=0，也会有VH=VAA’≠0，如图6-2所示。为了减小霍尔电极大小及其相对位置的影响，通常取霍尔电极的宽度尺寸小于霍尔元件长度尺寸的1/10。图6-2非理想等位线对霍尔元件输出的影响（3）当传感器的材料和厚度确定以后KH为常数，霍尔电压和IB的乘积成正比，利用这一特性，在电流恒定的情况下，可以测量磁感应强度；反之，在B恒定的情况下，可以测出电流。一霍尔传感器一）霍尔效应2.常见霍尔元件制作霍尔元件的主要材料有GaAs（砷化镓）、InSb（锑化铟）、Si（硅）等。其中，前两种最常用，Si主要用于霍尔器件与放大器电路封装在一起的霍尔集成电路。不同封装形式的霍尔器件外形如图6-3所示。图6-3封装形式的霍尔器件外形3.霍尔元件的主要技术参数描述霍尔元件的技术参数很多，下面给出较常用的几种。1）输入电阻（Rin）（室温、零磁场下测量时）霍尔元件两控制电极之间的电阻，单位：欧姆（Ω）。2）输出电阻（Rout）（室温、零磁场下测量时）霍尔元件两霍尔电极之间的电阻，单位：欧姆（Ω）。3）额定控制电流（Ic）（空气中，且满足一定散热条件下）霍尔元件温升不超过10oC时所通过的控制电流，单位：安培（A）一霍尔传感器一）霍尔效应4）最大允许控制电流（Icm）（空气中，且满足一定散热条件下）霍尔元件允许通过的最大控制电流。该电流与霍尔元件的几何尺寸、电阻率ρ及散热条件有关，单位：安培（A）。5）不等位电势（Vm） 额定控制电流下，外磁场为零时，霍尔电极间的开路电压。单位：伏特。不等位电势是由两个霍尔电极不在同一个等位面上造成的，其正负随控制电流方向而变化，但数值不变。6）不等位电阻（RM）不等位电势VM与额定控制电流Ic之比称为不等位电阻，即RM=VM/IC。7）磁灵敏度（SB）与乘积灵敏度（SH）额定控制电流下，B=1T（特斯拉）的磁场垂直于霍尔元件电极面时，霍尔电极间的开路电压，称为磁灵敏度，即：SB=VH/B，单位：V/T。控制电流为1A,B=1T的磁场垂直于霍尔元件电极面时，霍尔电极间的开路电压，称为乘积灵敏度。即：SH=VH/（IcB），单位：V/（A.T）。8）霍尔电势温度系数（β）外磁场B一定，控制电流I=Ic，温度变化ΔT=T2-T1=±1oC时，霍尔电势VH变化的百分率称为霍尔电势温度系数，即：一霍尔传感器一）霍尔效应其中：VH(oC)为零摄氏度时霍尔电势的输出值。9）输入/输出电阻温度系数αin或αoutΔT=T2-T1=±1oC时霍尔器件输入电阻Rin或输出电阻Rout变化的百分率，分别称为其输入或输出电阻温度系数（用αin或αout表示），αin的表达式如式(6-9)所示，αout类似。其中：Rin(oC)为零摄氏度时霍尔元件的输入电阻。

10）非线性误差NL一定磁场下，霍尔元件开路电压的实测值VH(B)和理论值VH/(B)之间的相对误差，称为霍尔元件的非线性误差，其表达式如式(6-10)所示。

（6-10）（6-9）（6-8）一霍尔传感器二）霍尔传感器应用1.霍尔传感器应用电路1）霍尔元件的等效电路及不等位电势补偿原理霍尔元件可以等效为如图6-4所示的电桥。其中，桥臂电阻R1、R2、R3、R4分别代表控制电极A、C与霍尔电极B、D之间的分布电阻，Vc为控制电极AC之间所加的电压，VH为霍尔输出电压。图6-4霍尔元件等效电路理想情况下,若无外加磁场，可以认为上述四个电阻相等，即R1=R2=R3=R4，故霍尔电势VH=0。实际上，霍尔元件都是存在不等位电势的，即使无外加磁场，上述电桥的输出也不为零。为了补偿该零位误差，可以在相应的桥臂上并联合适的电阻，从而保证电桥满足平衡条件。常用的补偿方法及其等效电路如图6-5所示。（a）补偿方案（b）等效电路图6-5霍尔元件不等位电势补偿方案及其电路一霍尔传感器二）霍尔传感器应用（2）霍尔元件的驱动电路

霍尔元件有恒压和恒流两种驱动方式，图6-6、图6-7分别示出了这两种驱动方式的电路原理图。一般情况下，GaAs霍尔器件宜选用恒流源驱动，InSb霍尔器件宜选用恒压源驱动方式。这是因为GaAs器件在恒流驱动方式下霍尔电压VH的温度系数比较小（仅有-0.06%/oC），且VH与磁感应强度B关系曲线有良好的线性度；而InSb器件在恒压驱动方式下VH的温度系数比较小。

图6-6霍尔元件恒压驱动电路图6-7霍尔元件恒流驱动电路一霍尔传感器二）霍尔传感器应用3）霍尔元件的输出放大电路图6-8是霍尔电压的测量放大器。其中，A1，A2共同组成第一级，为结构对称的同相比例运放，有很高的输入电阻以及较低的漂移和失调。A3是差分放大级，用于将差分输入转换成为单端输出。由图中标出的各级输入/输出关系，可以推知该放大器的输出电压UO与霍尔输入电压UH之间存在如下所示的关系式：（6-11）一霍尔传感器二）霍尔传感器应用2.霍尔集成电路霍尔集成电路是指内部不仅包含霍尔元件，还包含有运放等电路的IC器件，它包括线性型霍尔集成电路与开关型集成电路两大类，其内部结构以及特点如表6-1所示。其简单的应用电路图如图6-9所示。图6-9开关型霍尔传感器简单的应用电路一霍尔传感器二）霍尔传感器应用线性型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路内部结构

特点(1)精度高；(2)霍尔电压随外磁场B变化线性度好。（1）输出随外磁场B呈开关变化；（2）有单稳态和双稳态两种形式；（3）无触点。典型器件S49E线性型霍尔UGN3501/3503线性型霍尔A3144E霍尔元件CS1018/20/28霍尔元件UGN3119/3140线性型霍尔表6-1霍尔集成电路的分类及特点一霍尔传感器二）霍尔传感器应用3.霍尔式磁敏传感器的应用由霍尔效应的基本公式6-7可知，霍尔电压VH与输入控制电流Ic以及磁感应强度B均为线性关系。因此，可保持Ic不变通过测量VH来得到B，也可保持B不变通过测量VH来得到Ic，还可测量VH直接得到Ic和B的乘积，这样就可以得到各种类型的基于霍尔效应的传感器。霍尔元件可用于交直流电压、电流、功率以及功率因数的测量，还可用于磁场、线圈匝数、磁性材料矫顽力的测量。除此之外，还可利用霍尔效应来测量速度、里程、圈数、流速、位移、镀层及工件厚度等，下面给出几个相应的例子。1）霍尔元件用于功率测量假设霍尔器件的控制电流Ic与负荷电压V成正比，即：故有：

若用负荷电流I来产生相应的磁场B，即：

（6-11）（6-12）（6-13）将上述Ic和B的表达式代入霍尔效应的基本公式（6-7）：一霍尔传感器二）霍尔传感器应用可得：式中，而KH，k1，k2一般情况下都是常数，故k也是常数，由此可知，只要测出了霍尔电压VH，就可以得到功率P。对于上述功率测量方法，将负荷电压接入霍尔元件的控制端，而负荷电流则通过一种称之为霍尔变流器（或称霍尔CT，CurrentTransformer）的器件变换为相应的磁场，霍尔变流器的原理如图6-10所示。图6-10霍尔变流器原理图（6-14）（6-15）一霍尔传感器二）霍尔传感器应用2)霍尔元件用于磁场的测量以及铁磁物体的探测图6-11所示为霍尔元件用于磁场测量的电路原理框图。它是在保持控制电流IC不变的情况下，通过测量霍尔电压VH来得到被测磁场的。图6-11霍尔磁场测量系统原理框图

图6-11中恒流驱动电路、测量放大器设计可参考项目实施中的图6-6、图6-7和图6-8。图6-12示为磁性物体探测电路原理框图。当磁性物体靠近霍尔元件时，会引起霍尔元件感磁面的磁场发生变化，从而引起其输出的霍尔电压发生变化。当该电压大于所设定的阈值电平时，电平比较电路就会输出一高电平（或低电平），使得后级信号输出电路产生输出信号。该电路适宜用作诸如检测马达转速之类的霍尔元件接口电路。

图6-12磁性物体探测电路原理框图3)霍尔元件用于微位移的测量一霍尔传感器二）霍尔传感器应用一般是将霍尔元件固定在被测的移动物体上，并置于梯度为a的均匀磁场中。假定霍尔元件控制电流Ic保持不变，且磁感应强度B的梯度方向与物体位移方向x一致。将霍尔元件基本表达式两边对x求导，得两边对x积分，可得：在式6-17中，const为常数，当霍尔元件在以均匀梯度变化的磁场中运动时，其输出电压VH与霍尔元件在磁场中的位移量成正比，故只要测出霍尔电压，就可以得到相应的位移。图6-13是将霍尔元件用于物体位移测量的原理图。该电路霍尔输出电压VH与物体位移x有良好的线性关系，适合于测量0到1mm的位移。

图6-13霍尔元件物体位移测量原理（6-16）（6-17）一霍尔传感器二）霍尔传感器应用4)霍尔转速传感器通常将永磁铁固定在被测旋转体上，当它转动到与霍尔器件正对位置时，输出的霍尔电压最高。根据这个原理，通过电子线路计出每分钟霍尔器件输出高脉冲的个数，即可得到被测旋转体的转速。在被测旋转体上所安装的磁铁个数越多，转速测量的分辨率就越高。

图6-14表示了霍尔转速传感器用于测量车轮转速的工作原理。图中所示是在转动体（车轮）上安装单个永久磁铁的形式，转速n就是每秒钟脉冲个数乘以60；若安装有多个磁铁，那么转速n就是每秒钟脉冲个数除以永磁铁的个数再乘以60（转速一般是XXXX转/分钟）。注意：在测速过程中，一是霍尔传感器和永磁铁块要固定好，且感应距离要适当；二是测速的结果是否正确需要使用转速表等仪器进行验证。图6-14霍尔转速传感器用于测量车轮的转速二光电编码器一）光电编码器的基本结构与原理光电编码器按结构形式分为直线式编码器和旋转式编码器。旋转式光电编码器是一种主要用于角位移和转速测量的数字式传感器，在现代数控机床、在高精度的伺服控制系统中应用广泛。

旋转式编码器有两种——增量编码器和绝对编码器。增量编码器的输出是一系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲进行累计计数。一般还需有一个基准数据即零位基准才能完成角位移的测量。绝对编码器才是真正的直接数字式传感器，它不需要基准数据，更不需要计数系统。它在任意位置都可给出与位置相对应的固定数字码输出。目前应用最广的是利用光电转换原理构成的非接触式光电编码器。其精度高，可靠性好，性能稳定，体积小及使用方便，在自动测量和自动控制技术方面应用广泛。已有16位绝对编码器和每转＞10000脉冲数输出的小型增量编码器产品应用。

二光电编码器一）光电编码器的基本结构与原理1.绝对编码器光电编码器的码盘通常是一块光学玻璃，码盘与旋转轴相固联。玻璃上刻有透光和不透光的图形。编码器光源产生的光经光学系统形成一束平行光投射在码盘上，并与位于码盘另一面成径向排列的光敏元件相耦合。码盘上的码道数就是该码盘的数码位数，对应每一码道有一个光敏元件。当码盘处于不同位置时各光敏元件根据受光照与否转换输出相应的电平信号。

光学码盘通常用照相腐蚀法制作。现已生产出径向线宽为6.7×10¯8rad的码盘，其精度高达1/108。与其它编码器一样，光码盘的精度决定了光电编码器的精度。为此，不仅要求码盘分度精确，而且要求它在阴暗交替处有陡峭的边缘，以便减少逻辑“0”和“1”相互转换时引起的噪声。这要求光学投影精确，并采用材质精细的码盘材料。

目前，光电编码器大多采用格雷码盘，格雷码的两个相邻数的码变化只有一位码是不同的。从格雷码到二进制码的转换可用硬件实现，也可用软件来完成。光源采用发光二极管，光敏元件为硅光电池或光电晶体管。光敏元件的输出信号经放大及整形电路，得到具有足够高的电平与接近理想方波的信号。为了尽可能减少干扰噪声，通常放大及整形电路都装在编码器的壳体内。此外，由于光敏元件及电路的滞后特性，使输出波形有一定的时间滞后，限制了最大使用转速。二光电编码器一）光电编码器的基本结构与原理

利用光学分解技术可以获得更高的分辨率。图6-16所示为一个具有光学分解器的19位光电编码器。该编码器的码盘具有14（位）内码道和1条专用附加码道。后者的扇形区之形状和光学几何结构稍有改变且与光学分解器的多个光敏元件相配合，使其能产生接近于理想的正、余弦波输出；并通过平均电路进行处理，以消除码盘的机械误差，从而得到更为理想的正弦或余弦波。对应于14位中最低位码道的每一位，光敏元件将产生一个完整的输出周期，如图6-17所示。

图6-16具有分解器的19位光电编码器图6-17附加码道光敏元件输出二光电编码器一）光电编码器的基本结构与原理插值器将输入的正弦信号和余弦信号用不同的系数加在一起，形成数个相移不同的正弦信号输出。各正弦波信号经过零比较器转换成一系列脉冲，从而细分了光敏元件的输出正弦波信号，于是就产生了附加的最低有效位。如图6-12所示的19位光电编码器的插值器产生16个正弦波形。每二个正弦信号之间的相位差为π／8，从而在4位二进制编码器的最低有效位间隔内产生32个精确等分点。这相当于附加了5位二进制数的输出，使编码器的分辨率从1/214提高到1/219，优于1/5×25，角位移小于3″。2.增量编码器由上述可见，绝对编码器在转轴的任意位置都可给出一个固定的与位置相对应的数字码输出。对于一个具有n位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有n条码道。而对于增量编码器，其码盘要比绝对编码器码盘简单得多，一般只需三条码道。这里的码道实际上已不具有绝对码盘码道的意义。二光电编码器一）光电编码器的基本结构与原理在增量编码器码盘最外圈的码道上均布有相当数量的透光与不透光的扇形区，这是用来产生计数脉冲的增量码道（S1）。扇形区的多少决定了编码器的分辨率，扇形区越多，分辨率越高。例如，一个每转5000脉冲的增量编码器，其码盘的增量码道上共有5000个透光和不透光扇形区。中间一圈码道上有与外圈码道相同数目的扇形区，但错开半个扇形区，作为辨向码道（S2）。码盘旋转时，增量码道与辨向码道的输出波形如图6-14所示。在正转时，增量计数脉冲波形超前辨向脉冲波形π／2；反转时，增量计数脉冲滞后π／2。这种辨向方法与光栅的辨向原理相同。同样，用这两个相位差为π／2的脉冲输出可进一步作细分。第三圈码道（Z）上只有一条透光的狭缝，它作为码盘的基准位置，所产生的脉冲信号将给计数系统提供一个初始的零位（清零）信号。与绝对编码器类似，增量编码器的精度主要取决于码盘本身的精度。用于光电绝对编码器的技术，大部分也适用于光电增量编码器。（a）码盘正转时（b）码盘反转时图6-18增量编码器的输出波形二光电编码器二）光电增量编码器的应用1.测量转速应用（a）用编码器测量平均速度（b）用编码器测量瞬时速度的原理框图图6-19增量编码器直接用于测量转速增量编码器除直接用于测量相对角位移外，常用来测量转轴的转速。最简单的方法就是在给定的时间间隔内对编码器的输出脉冲进行计数，它所测量的是平均转速。例如，一个每转360脉冲的编码器当转速为60rad／min时，若计数时间间隔为1s，则分辨率达1／360。若转速为6000rad／min，则分辨率可达1／36000。因此这种测量方法的分辨率被测速度而变，其测量精度取决于计数时间间隔。故采样时间应由被测速度范围和所需的分辨率来决定。它不适宜低转速的测量。该法的原理框图见图6-19（a）。二光电编码器二）光电增量编码器的应用测量转速的另一种方法的原理见图6-19（b）。在这个系统中，计数器的计数脉冲来自时钟。通常时钟的频率较高，而计数器的选通信号是编码器输出脉冲。例如，时钟频率为1MHz，对于每转100脉冲的编码器，在100r／min时码盘每个脉冲周期为0.006s，可获得6000个时钟脉冲的计数，即分辨率为1／6000。当转速为6000r／min时，分辨率降至1／100。2.测量线位移在某些场合，用旋转式光电增量编码器来测量线位移是一种有效的方法。这时，须利用一套机械装置把线位移转换成角位移。测量系统的精度将主要取决于机械装置的精度。可见，转速较高时分辨率较低。但是它可给出某一给定时刻的瞬时转速（严格地说是码盘一个脉冲周期内的平均转速）。在转速不变和时钟频率足够高的情况下，码盘上的扇形区数目越多，反映速度的瞬时变化就越准确。系统的采样时间应由编码器的每转脉冲数和转速决定。该法的缺点是扇形区的间隔不等将带来较大的测量误差。可用平均效应加以改善。二光电编码器二）光电增量编码器的应用图6-20（b）是用齿轮齿条来实现直线－旋转运动转换的一种方法。一般说，这种系统的精度较低。图6-20（c）和（d）分别表示用皮带传动和摩擦传动来实现线位移与角位移之间变换的两种方法。该系统结构简单，特别适用于需要进行长距离位移测量及某些环境条件恶劣的场所。无论用哪一种方法来实现线位移－角位移的转换，一般增量编码器的码盘都要旋转多圈。这时，编码器的零位基准已失去作用。为计数系统所必须的基准零位，可由附加的装置来提供。如用机械、光电等方法来实现。图6-20（a）表示通过丝杆将直线运动转换成旋转运动。例如用一每转1500脉冲数的增量编码器和一导程为6mm的丝杆，可达到4μm的分辨力。为了提高精度，可采用滚珠丝杆与双螺母消隙机构。

图6-20用旋转式增量编码器测量线位移示意图二光电编码器二）光电增量编码器的应用3.测量电路实际中，目前都将光敏元件输出信号的放大整形等电路与传感检测元件封装在一起，所以只要加上计数与细分电路（统称测量电路）就可组成一个位移测量系统。从这点看，这也是编码器的一个突出优点。1）计数电路光电增量编码器的典型输出是两个相位差为π/2的方波信号（S1和S2）和一个零位脉冲信号（S′1），见图6-21（b）。为了能直接进行数字显示，一般都用双时钟信号输入的十进制可逆计数集成电路来构成计数电路。当增量编码器正转时，S1信号送至一单稳电路（如74LS221）的负沿触发端，得单稳的输出脉冲S′1，此时正值S2为高电平，S′1与S′2相“与”并反相，得到加计数脉冲S＋，如图6-21（a）所示。S＋信号作为计数电路最低位的加计数输入信号；而减计数输入端为高电平。这是因为S1信号被S2封锁，进行减计数，波形如图6-21（b）所示。单稳电路的脉冲宽度影响计数电路的响应频率。增量编码器零位基准的输出信号可直接加在所有计数器的清零端。（a）正转时（b）反转时图6-21计数电路波形图二光电编码器二）光电增量编码器的应用2）细分电路图6-22四倍计数方式的波形和电路二光电编码器二）光电增量编码器的应用图6-22是一个既能防止误脉冲又能提高分辨率的四倍频细分电路。在这里，采用了有记忆功能的D型触发器和时钟发生电路。由图6-22（b）可见，每一道有两个D触发器串接，这样，在时钟脉冲的间隔中，两个Q端（如对应B道的74LS175的第2、7引脚）保持前两个时钟期的输入状态，若两者相同，则表示时钟间隔中无变化；否则，可以根据两者关系判断出它的变化方向，从而产生“正向”或“反向”输出脉冲。当某道由于振动在“高”、“低”间往复变化时，将交替产生“正向”或“反向”脉冲，这在对两个计数器取代数和时就可消除它们的影响。注意时钟发生器的频率应大于振动频率的可能最大值。由图6-22（a）还可看出，在原一个脉冲信号的周期内，得到了四个计数脉冲。由于光栅与光电增量编码器的输出基本相同，上述测量电路同样可用作光栅测量电路。按照旋转式编码器的工作原理，把码盘拉直成码尺，既可构成直线式光电编码器，测量线位移。结构可分成透光式和反光式。二光电编码器二）光电增量编码器的应用光电编码器是一种高精度的数字式传感器，在选择的时候要注意：①机械安装尺寸，包括定位止口，轴径，安装孔位；电缆出线方式；安装空间体积；工作环境防护等级是否满足要求。②分辨率，即编码器工作时每圈输出的脉冲数，是否满足设计使用精度要求。③电气接口，编码器输出方式常见有推拉输出（F型HTL格式），电压输出（E），集电极开路（C，常见C为NPN型管输出，C2为PNP型管输出），长线驱动器输出。其输出方式应和其控制系统的接口电路相匹配。如果使用PLC（可编程控制器）采集数据，可选用高速计数模块；使用工控机采集数据，可选用高速计数板卡；使用单片机采集数据，建议选用带光电耦合器的输入端口。其编程方法一般是通过高速计数器对编码脉冲进行计数。三流量传感器一）流量检测基础用于测量流量的仪器仪表通称流量计，通常由一次仪表和二次仪表组成。一次仪表又称流量传感器，安装于流体导管内部，用于产生与流量的流速成正比的信号；二次仪表将检测出的信号转换为与流量信号成函数关系的电信号进行显示及输出。1.流量检测方法根据流体流动状态，介质特性，管道等方面的因素，常用检测方法有：1）节流差压法在流体管道中安装节流件，根据流动动力学原理，节流件处将产生压力。根据压力差和流量的关系进行流量测量。常用节流件包括孔板、喷嘴和文丘里管等。2）容积法让流体流经已标定容积的计量室，流体流动的压力推动测量室内类似齿轮的机构转动，每转一周排出固定体积的流体。用这种方法测量流量的仪表称为容积式流量计，按计量室结构分为椭圆齿轮式、腰轮式（罗茨式）、刮板式、旋转活塞式、圆盘式、膜式煤气表、旋转叶轮式水表等。3）阻力法流体会对管道内的阻力体产生作用力，作用力大小与流量大小有关。常用的流量计有转子流量计、靶式流量计等。4）速度法测出管道内流体的平均流速，乘以管道截面积即可得到流量。根据测流速的方法不同，有涡轮流量计、电磁流量计、涡街流量计、超声流量计、相关流量计等。三流量传感器一）流量检测基础2.典型流量计图6-23椭圆齿轮结构原理1）容积式流量计以椭圆齿轮流量计为例说明容积式流量计的工作原理及特点。图6-23为椭圆齿轮流量计结构原理，一对相互啮合的椭圆齿轮和与之配合紧密的壳体组成测量室。流体流动的压力产生的力矩会推动齿轮转动，连续不断地将充满在齿轮与壳体之间的固定容积内的流体排出，当椭圆齿轮旋转一周时，将排出4个半月形(测量室)体积的流体。假设一个半月测量室的容积为V，齿轮转数为n，可通过机械的或其他的方式测出。单位时间内体积流量为qv，则:三流量传感器一）流量检测基础qv=4nV

椭圆齿轮流量计适用于高粘度液体的测量。流量计基本误差为±0.2％～±0.5％，量程比为10:1。容积式流量计的优点是测量精度高、量程比宽，流体黏度变化对测量影响小，安装方便，对流量计前后的直管段的要求不高。但其缺点是制造装配要求高，传动机构复杂，成本较高，对流体清洁度要求高，通常要求上游加装过滤器。容积式流量计也可测气体流量。（6-18）三流量传感器一）流量检测基础2）节流差压式流量计在被测流体流过管道内节流件时，根据伯努里方程，在节流件两端产生的差压力

P与瞬时流量qv有如下关系：式中分别为流量系数、节流件最小孔径（m）、流体密度（kg/m3）。采用压力或差压检测方法可测出

P。如果要得到积算流量Qv，就必须对瞬时流量qv进行计算。

、D、

（a）孔板式（b）喷嘴（c）文丘里管图6-24常用节流件结构形式

节流件结构形式有孔板、喷嘴和文丘里管，如图6-24所示。针对不同流体类型和状态，可采用标准和非标准节流件。使用标准节流件时被测流体应该是充满管道和节流装置，并连续地流经管道；节流件前直管段长度应大于10D以上，下游侧大于5D以上；流体流动是连续稳定的或随时间缓变的；最大流量与最小流量之比不超过3：1。标准节流件在各行业中广泛应用，占各类流量计的80％以上，标准节流件不适用于动流和临界流的流量测量。（6-19）三流量传感器一）流量检测基础3）转子流量计转子流量计又称浮子流量计。当被测流体自下而上流经锥形管时，在转子上下端面产生差压形成作用于转子的上升力，当与转子的重量平衡时，转子稳定在一个平衡位置上。流量变化时，转子便会移到新的平衡位置，这样平衡位置的高度就代表被测介质流量值的大小。图6-25为转子流量计结构示意图。根据伯努里方程可推算出，流量qv与高度h之间满足如下关系：式中，Df、Vf、Af、

f分别为转子的最大直径、迎流面体积和面积、密度（kg/m3）；

、

、g、

分别为流量系数、流体密度、重力加速度、锥形管壁与垂直方向的夹角。图6-25转子流量计结构原理（6-20）一般可认为是雷诺数的函数，每种流量计有相应的界限雷诺数，低于此值不再是常数，与h不呈线性，会影响测量精度。因此，转子流量计测量的流体，其雷诺数应大于一定范围。三流量传感器一）流量检测基础

转子流量计按锥形管材料不同，可分为玻璃管转子流量计和金属管转子流量计两大类。

玻璃管转子流量计结构简单、价格低廉、使用方便、可制成防腐蚀仪表、耐压低，多用于透明流体的现场测量。

金属管转子流量计测量时将转子的位移通过测量转换机构进行传递变换，变换后的位移信号可直接用于就地指示，也可将该位移转换为电信号或气信号进行远传及显示。

转子流量计可以测量多种介质的流量，特别适用于中小管径和低雷诺数的中小流量测量，结构简单，灵敏度高，量程比宽(10:1)，压力损失小且恒定，对直管段的要求不高，刻度近似线性，价格便宜，使用维护简便。但只适用于垂直管道的流量检测，精度受流体性质和测量环境的影响，精度一般在1.5级左右。三流量传感器一）流量检测基础4）靶式流量计靶式流量计由检测(传感)和转换部分组成，检测部分包括放在管道中心的圆形靶、杠杆、密封膜片，如图6-26所示。当流体流过靶时，靶受到流体动压力和靶对流体的节流作用而形成的力F的作用。此作用力与流体平均流速u、密度

及靶的受力面积

的关系为：式中k为一比例常数。通过测量靶所受作用力，可以求出流体流速与流量。图6-26

靶式流量计工作原理靶式流量计的转换部分按输出信号有电动和气动两种结构形式。测量时通过杠杆机构将靶上所受力引出，按照力矩平衡方式将此力转换为相应的标准电信号或气压信号，由显示仪表显示流量值。靶式流量计适用于测量高粘度、低雷诺数流体的流量测量，如重油、沥青、含固体颗粒的浆液及腐蚀性介质。靶式流量计结构比较简单,不需安装引压管和其它辅助管件，安装维护方便；压力损失小。靶式流量计在安装与使用时，为了保证测量准确度，流量计前后应有必要的直管段，且一般应水平安装，若必须安装在垂直管道上时，要注意流体的流动方向应由下向上，安装后必须进行零点调整。（6-21）三流量传感器一）流量检测基础5）涡轮流量计涡轮流量计是一种典型的速度式流量计。它具有测量精度高、反应快以及耐压高等特点，因而在工业生产中应用日益广泛。涡轮流量计的结构如图6-27所示，主要由外壳、导流器、支承、涡轮和磁电转换器组成。涡轮是测量元件，被测流体推动涡轮叶片旋转，在—定范围内，涡轮的转速与流体的平均流速成正比，通过磁电转换装置将涡轮转速变成电脉冲信号，经放大后送给显示记录仪表，即可以推导出被测流体的瞬时流量和累积流量。图6-27涡轮流量计结构原理磁电转换装置由线圈和磁钢组成，安装在流量计壳体上，可分成磁阻式和感应式两种。磁阻式将磁钢放在感应线圈内，涡轮叶片由导磁材料制成。当涡轮叶片旋转通过磁钢下面时，磁路中的磁阻改变，周期性地在线圈中感应出电脉冲信号，其频率就是叶片转过的频率。感应式是在涡轮内腔放置磁钢，涡轮叶片由非导磁材料制成。磁钢随涡轮旋转，在线圈内感应出电脉冲信号。由于磁阻式比较简单、可靠，所以使用较多。除磁电转换方式外，也可用光电元件、霍尔元件等方式进行转换。三流量传感器一）流量检测基础涡轮通常有不锈钢材料制成，根据流量计直径大小，其上装有2

8片叶片。为了提高对流速变化的响应能力，涡轮质量应尽量小。为提高抗干扰能力和增大信号传送距离，在磁电转换器内装有前置放大器。涡轮流量计测量精度高，可达0.5级以上，在小范围内可达±0.1％,复现性和稳定性均好；量程范围宽，量程比可达(10～20):1,刻度线性；耐高压，承受的工作压力可达16MPa，而压力损失在最大流量时小于25KPa；对流量变化反应迅速，可测脉动流量，其时间常数一般仅为几到几十毫秒；输出为脉冲信号，抗干扰能力强，信号便于远传及与计算机相连。涡轮流量计的缺点是制造困难，成本高。由于涡轮高速转动，轴承易损，降低了长期运行的稳定性，影响使用寿命。通常涡轮流量计主要用于测量精度要求高、流量变化快的场合，还用作标定其他流量的标准仪表。涡轮流量计应水平安装，并保证其前后有一定的直管段。它还可用以测量气体、液体流量,也可以测量轻质油，如汽油、煤油、柴油、低黏度地润滑油以及腐蚀性不强的酸碱溶液流量，但要求被测介质洁净，以减少轴承磨损，一般应在流量计前加装过滤装置。如果被测液体易气化或含有气体时，要在流量计前装消气器。三流量传感器一）流量检测基础6）漩涡流量计漩涡式流量计是20世纪60年代末期发展起来一种新型流量仪表，80年代以后逐渐得到广泛应用。涡街流量计属于其中的一种，它是利用流体的卡门漩涡列原理进行测量的。

在均匀流动的流体中,垂直地插入一个具有非流线型截面的柱体,称为漩涡发生体，则在该漩涡发生体两侧会产生旋转方向相反、交替出现的漩涡，并随着流体流动，在下游形成两列不对称的漩涡列，称之为“卡门涡街”。图6-28所示为圆柱漩涡发生器的结构原理。在一定的雷诺数范围内，每一列漩涡产生的频率ƒ与漩涡发生体的形状和流体流速u有确定的关系：图6-28圆柱漩涡发生器的结构原理式中d为漩涡发生体的特征尺寸，St称为斯特罗哈尔数，与漩涡发生体形状及流体雷诺数有关，但在雷诺数500～150000的范围内，St值基本不变，工业上测量的流体雷诺数几乎都不超过上述范围，因此漩涡产生的频率仅决定于流体的流速u和漩涡发生体的特征尺寸。（6-22）三流量传感器一）流量检测基础当漩涡发生体的形状和尺寸确定后，可以通过测量漩涡产生频率来测量流体的流量。漩涡频率的检出有多种方式，可以将检测元件放在漩涡发生体内，也可以在下游设置检测器进行检测。图6-28所示采用的检测原理是，中空的圆柱体漩涡发生器两侧开有导压孔与内部空腔相连，孔中装有电流加热的铂电阻丝。两侧漩涡交替经过导流孔，有漩涡的一侧静压增大，流速减小，流体被压进空腔，如此交替使空腔内流体产生脉动流动。脉动流动的流体对电阻产生冷却，使电阻值发生脉动变化，从而产生和漩涡频率一致的脉冲信号，检测此脉冲信号即可测出流量。也可以在空腔内使用压电式或应变式检测元件测出交替变化的压力。漩涡流量计测量精度较高，可达±1％；量程比宽,可达30:1；在管道内无可动部件，使用寿命长，压力损失小，水平或垂直安装均可，安装与维护比较方便，测量几乎不受流体参数变化的影响，对气体、液体和蒸汽等介质均适用。由于输出脉冲信号，容易实现远传。这种流量计，是一种正在得到广泛应用的流量仪表。漩涡流量计一般适用于大口径或大横截面（相对于漩涡发生器）、紊流流速分布变化小的情况，并要求流量计前后有足够长的直管段。三流量传感器一）流量检测基础7）电磁流量计电磁流量计利用法拉第电磁感应原理测量导电流体的流量。它由变送器和转换器两部分组成，变送器由一对安装在管道上的电极和一对磁极组成，要使磁力线、电极和管道三者成相互垂直状态，如图6-29所示。变送器将流体流量信息变成感应的电信号，转换器则信号进行处理转换成标准输出。当导电流体以平均流速u在管道内流动时，由于切割磁力线在电极上产生感应电势E，E的大小与磁感应强度B、管道直径D、和流速u有如下关系：图6-29电磁流量计结构原理则流体流量方程为：该流量方程须满足磁场是均匀分布的恒定磁场、被测流体非磁性、流速轴为对称分布、流体电导率均匀且各向同性等条件。电磁流量计磁场的励磁方式有直流励磁，正弦交流励磁和低频方波励磁三种方式。（6-24）（6-23）三流量传感器一）流量检测基础直流励磁方式用永久磁铁或直流电励磁，能产生一个恒定的均匀磁场不易受交流磁场干扰，流体自感现象小；但易使电极极化，导致电机间电阻增大，故只适用于非电解质液体，如液态金属的流量测量。正弦交流励磁产生交流磁场，可以克服直流励磁的极化现象，便于信号的放大，但易受电磁干扰。低频方波励磁兼具直流和交流励磁的优点，既能使感应电势与平均流速成正比，又能排除极化现象。但检测线路需要经过交流放大、采样保持、直流放大等过程转换为直流输出，使得线路比较复杂。电磁流量计是工业中测量导电流体常用的流量计，能够测量以及含有固体颗粒(例如泥浆)或纤维液体的流量；由于测量导管中无阻力件，压力损失极小，电极和衬里有防腐措施，故可适用于测量含有颗粒、悬浮物等流体（如纸浆、矿浆、煤粉浆）和酸、碱、盐溶液的流量。电磁流量计测量范围大，量程比可达10:1，甚至100:1；流量计适用面广，管径小到1mm，大到2m以上；测量精度为0.5-1.5级；输出与流量呈线性关系，且不受被测介质的物理性质影响；反应迅速，可以测量脉动流量。电磁流量计对直管段要求不高，使用比较方便。三流量传感器一）流量检测基础电磁流量计要求被测介质必须是导电的液体，不能用于气体、蒸汽及石油制品的流量测量；流速测量下限有一定限度，一般为50cm/s；由于电极装在管道上，工作压力受到限制。此外电磁流量计结构也比较复杂，成本较高。电磁流量计的安装地点应尽量避免剧烈振动和交直流强磁场，要求任何时候流体都要充满管道。可以水平安装也可垂直安装，水平安装时两个电极要在同一平面上，垂直安装时流体要自下而上流过仪表，要确保流体、外壳、管道间的良好接地和良好点接触。三流量传感器一）流量检测基础8)超声波流量计超声波流量计是一种新型流量计。超声波用于流量测量的原理有传播速度法、多普勒法、波束偏移法、噪声法、相关法等多种方法，在工业应用中以传播速度法最普遍。其基本原理是，超声波在流体中传播时，流体流速对超声波传播速度会产生影响，通过发射和接收超声波信号可以测知流体流速，从而求得流量。图6-30为超声波测速原理。根据具体测量参数的不同，又可分为时差法、相差法和频差法。图6-30超声波测速原理①时差法

时差法测量超声波脉冲顺流和逆流时传播的时间差。图6-30所示，在管道上、下游相距L处分别安装两对超声波发射器(T1、T2)和接收器(R1、R2)。设声波在静止流体中的传播速度为c，流体的流速为u。当T1按顺流方向、T2按逆流方向发射超声波时，接收器R1和R2接收声波所需的时间t1、t2分别为：（6-25）三流量传感器一）流量检测基础因

，可忽略，故时差则流体流速

在实际的工业测量中，时差

t非常小，若流速测量要达到1％准确度，则时差测量要达到0.01的准确度，因此难以实现。（6-26）（6-27）②相差法

相差法是把上述时间差转换为超声波传播的相位差来测量。设发射器向流体连续发射频率为

f的正弦波超声波脉冲，则逆流和顺流时两束波的相位差

与前述时间差

t之间的关系为：则流体的流速相差比时差有了一个2

f放大系数，对仪器灵敏度的要求不必像时差法那样严格，因此提高了测量精度。

但在时差法和相位差法中，流速测量均与声速c有关，而声速是温度的函数，当环境温度变化时会影响到测量精度。（6-28）（6-29）三流量传感器一）流量检测基础③频差法

频差法是通过测量顺流和逆流时超声脉冲的循环频率差来测量流量的。超声波发射器向被测流体发射超声脉冲，接收器收到声脉冲并将其转换成电信号，经放大后再用此电信号去触发发射电路发射下一个声脉冲。因此任何一个声脉冲都是由前一个接收信号脉冲所触发，脉冲信号在发射体、流体、接收器、放大电路内循环，故称声循环法。脉冲循环周期的倒数称为声循环频率(即重复频率)，它与脉冲在流体中的传播时间有关。因此顺流、逆流时的声循环频率f1、f2分别为：声脉冲循环频差：流体流速：由于顺、逆流两个声循环回路在测循环频率时会相互干扰，工作难以稳定，而且要保持两个声循环回路的特性一致也是非常困难的。因此实际应用频差法测量时，仅用一对换能器按时间交替转换作为接收器和发射器使用。（6-30）（6-31）（6-32）（6-33）

由式6－33，流体流速和频差成正比，且与声速无关，精度与稳定性都有提高，这是频差法的显著优点。循环频差很小，直接测量的误差大，为了提高测量精度，一般需采用倍频技术。图6-31是超声换能器在管道上的配置方式，其中Z式为单声道方式，是最常用的方式，装置简单，适用于有足够长的直管段、流速分布为管道轴对称的场合；V式适用于流速不对称的流动流体的测量；当安装距离受到限制时，可采用X式。换能器一般均交替转换作为发射和接收器使用。超声波流量计测量时，超声波换能器可以置于管道外，不与流体直接接触，不破环流场，没有压力损失,测量范围宽，可用于各种液体的流量测量，包括测量腐蚀性液体、高粘度液体和非导电液体的流量，尤其适于测量大口径管道的水流量或各种水渠、河流、海水的流速和流量，在医学上还用于测量血液流量等。但超声波流量计结构较为复杂，价格昂贵，一般用在特殊场合或有特殊要求的流量测量。超声波流量计前需要一定长度的直管段。一般直管段长度在上游侧需要10D以上，而在下游侧则需要5D左右。三流量传感器一）流量检测基础图6-31换能器在管道上的配置方式三流量传感器二）流量检测1.水流量仪表检定装置概述各种流量测量仪表，尤其作为经济核算依据和量值传递的高精度的标准流量计，从研制到使用过程都需要利用流量标定检验装置进行检定。用于液体流量计的水流量仪表检定装置的结构如图6-32所示，该装置是采用的静态容积法进行流量计检定的。图6-32水流量仪表检定装置的结构示意图三流量传感器二）流量检测检定过程如下：水泵将水抽到30m高的水塔，待水塔容器有溢流后开始检定，并且检定过程必须一直保证有溢流，以便产生稳定压力的流源。调节阀A与标准流量计A共同组成流量调节回路，在检定管线内调节出不同大小的流量值，本装置中流量值分别设定为被校表最大流量的20%、40%、60%、80%、100%。根据本次检点的流量值，选择不同容积大小的工作量器。待流量稳定后，由换向器将水流由非工作量器B（A）突然切换到工作量A（B）中，测出这段时间内工作量器A（B）中的水体积和时间T，可求得标准流量Q=V/T，将此值与被检表的实测值相比较，即可确定被检表在此流量值下的误差。每个流量值重复三次，五个流量值点共进行15次以上操作即可确定被检表的准确度等级。在本装置中，为保证水塔液面稳定，在上水系统中，由标准流量计B和分流调节阀B组成一个流量调节顺路，以保证每一次上水流量值略大于被检定点的流量值。此外为增加被检定流量计范围，系统加了一根Φ100的检定管线和2000L的工作量器，以检定大流量或大管径的流量计，其结构与Φ50检定管线相同。在手动操作上述检定过程中，每个环节都有可能引入误差，且效率低，劳动强度大，更重要的是由于时间长，会引起环境变化、仪器漂移等，很难保证条件不变。本装置采用工业PC进行监控后，上述各步骤自动进行，提高了效率，降低了对操作人员的要求，同时又提高了测量准确度，降低了人力和物力的消耗。此外，由于工控机的PID调节器作用，使得检定点的流量值稳态精度高，且调节方便。三流量传感器二）流量检测2、系统硬件设计1）水流量标准装置本装置中各部分技术参数如下：工作量器：共有A（500L）、B（100L）、C（2000L）三种量器，准确度等级为0.1级。液位计：共有三个差压变送器来测量工作量器中直管段的液位，根据每个量器的体积液位表，换算出量器中水体积。差压变送器输出信号为4～20mA。计时器：主要用于手动操作时，准确度等级为0.1ms级，由于在检定中已规定中的T>30s，因此，计时器引入误差可以忽略。检定管线：共有两条，Φ50mm和Φ100mm，Φ50mm管线如图10-1所示。电动调节阀：包括上水分流管线、二根检定管线，装置共有三个电动调节阀，控制信号为4～20mA。电磁气动阀：每个量器底部各1个，控制信号为交流220V的开关信号。电磁气动换向器：A、B两量器共用1个，C量器使用1个，控制信号是交流220V的开关信号。开关量回讯：包括一个溢流、两个换向器光电开光，回讯为直流12V开关信号。标准流量计采用的是电磁流量计，共有3个，输出信号为4～20mA电流信号。被校表：被校表类型包括电磁流量计（输出信号有0～10mA、4～20mA两种）、涡轮流量计（输出信号为脉冲信号）。三流量传感器二）流量检测2）微机测控系统硬件结构

计算机采用PC总线工控机，通过内置PC总线的A/D、D/A、开关量输入DI、开关量输出DO、脉冲计数板组成一测控系统。IPC除了完成检定过程的自动控制外，还能对检定结构的数据进行处理、打印、管理。其计算机控制系统的硬件结构是典型的DDC系统。模拟量A/D、D/A通道。本装置采用16位的A/